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所提出的协议描述了基于鬼笔环肽的丝状肌动蛋白染色技术的开发和使用,该技术与共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)一起可视化微流体动态培养通道和传统固定孔静态培养室中的贴壁细胞层结构。这种方法有助于评估细胞层融合度、单层形成和层厚均匀性。
体外 微流体实验具有巨大的潜力,可以揭示对急性呼吸窘迫综合征(ARDS)和呼吸机引起的肺损伤(VILI)等条件下发生的微生理现象的许多见解。然而,在与人肺终末细支气管相关的尺寸的微流体通道中的研究目前面临一些挑战,特别是由于在给定的培养环境中难以建立适当的细胞培养条件,包括培养基流速。所提出的协议描述了一种基于图像的方法,用于评估在非氧气渗透微流体通道中培养的NCI-H441人肺上皮细胞的结构,其尺寸与人肺的末端细支气管在生理上相关。使用基于鬼笔环肽的丝状肌动蛋白染色,通过共聚焦激光扫描显微镜揭示细胞的细胞骨架结构,从而实现单个和分层细胞的可视化。随后的定量确定所采用的细胞培养条件是否产生适合进一步实验的均匀单层。该协议描述了微流体通道和传统固定孔环境中的细胞培养和层评估方法。这包括通道构建、细胞培养和必要条件、固定、透化和染色、共聚焦显微成像、图像处理和数据分析。
急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是一种急性疾病,由肺实质损伤和损伤传播,导致肺泡肺水肿,气体交换不足,随后出现低氧血症1。这启动了促炎细胞因子释放、中性粒细胞募集、毒性介质释放和组织损伤的循环,其本身会引起进一步的炎症反应2。此外,肺表面活性剂可稳定气道并防止重复复张/复张(R/D)造成的损伤,可能会因ARDS期间发生的化学过程而失活或以其他方式使其功能失调,从而导致进一步的压力和对周围实质的伤害3。如果持续足够的损伤,可能需要机械通气以确保足够的全身氧合4.然而,机械通气带来了自身的挑战和创伤,包括呼吸机诱发的肺损伤 (VILI) 的可能性,其特征是过度充气(容积性损伤)期间施加的机械应力和/或液体阻塞气道中气液界面的 R/D (远端外伤)5.在疏距创伤模型中,暴露于气液界面的上皮细胞(如在液体闭塞的细支气管中)所经历的压力梯度可导致通透性引起的阻塞反应 (POOR),从而导致 POOR-GET-POORer 损伤的良性循环 6,7,8。
体外 实验可以提供对这些现象的微观见解,但目前在具有生理相关维度的微流体通道环境中的研究面临几个挑战9。首先,优化细胞培养条件对微流体环境中的细胞培养研究构成了重大障碍,因为存在一个狭窄的交叉点,其中培养基流参数、培养持续时间和其他培养条件允许最佳的细胞层形成。这包括微流体培养通道封闭的不透氧特性所施加的扩散限制。这需要仔细考虑培养基流参数,因为低流速会剥夺细胞的氧气,尤其是那些离入口最远的细胞;另一方面,高流速会将细胞推出培养通道或导致层发育不当或不均匀。扩散限制可以通过在气液界面(ALI)培养设备中使用透氧材料(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)来解决;然而,鉴于制造的外壳10的性质,许多传统的微流体培养通道,例如电池基板阻抗传感(ECIS)系统的通道,本质上是不透氧的。该协议旨在提供一种分析在耐氧不透氧外壳中培养的细胞层的技术。
在比较培养条件的活力时,必须观察特定的层特征,例如单层的存在、表面拓扑、汇合度和层厚度均匀性,以确定一组特定培养条件产生的细胞层是否符合所需的规格,并且确实与实验设计相关。可以通过诸如ECIS之类的方法进行有限的评估,ECIS利用由流阵列内金电极上培养的细胞的电绝缘膜施加的高频交流电(AC)(阻抗)电阻产生的电势(电压)的测量。通过调节施加到细胞上的AC频率,可以靶向和检查细胞和细胞层的特定频率依赖性细胞特性,例如表面粘附强度,紧密连接形成以及细胞增殖或汇合11。然而,这些间接形式的测量在实验开始时有些难以解释,并且可能无法量化细胞层的所有相关方面。简单地在相差显微镜下观察细胞层可以揭示某些质量的性质,例如汇合度;然而,许多相关特征(例如单层的存在和层厚度均匀性)需要进行三维(3D)评估,而明场,相衬或荧光显微成像无法实现12。
本研究的目的是开发一种丝状肌动蛋白染色技术,以允许使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)对单层进行基于成像的验证和评估细胞层均匀性。丝状肌动蛋白(F-actin)被认为是荧光团偶联物的合适靶标,部分原因是F-肌动蛋白紧密跟随细胞膜的方式,允许整个细胞体积13的视觉近似。靶向F-肌动蛋白的另一个重要好处是F-肌动蛋白染色在视觉上阐明细胞骨架破坏或细胞经历的应激和应变所施加的改变的方式。使用无甲醇甲醛的交联固定用于保持细胞和细胞层的形态,因为甲醇等脱水固定剂倾向于使细胞变平,严重扭曲细胞层并改变其性质14,15。
为了确定层评估技术缓解这些挑战的能力,在传统的八孔培养室和微流体通道中培养细胞,以评估产生的细胞层中的差异(如果有的话)。对于固定培养孔,使用八孔腔盖玻璃单元。对于微流体培养,对流动阵列(通道长度 50 mm、宽度 5 mm、深度 0.6 mm)进行了优化,以在尺寸与人肺呼吸区中存在的终末细支气管相关的环境中培养永生化的人肺上皮 (NCI-H441) 细胞16.虽然该协议是在考虑ECIS流阵列的培养环境的情况下开发的,但它可能适用于任何需要评估培养细胞层特征或培养条件的不透氧动态培养环境。
NCI-H441人上皮肺细胞系用于本研究(见 材料表)。
1. 微流控通道中的细胞培养
图 1:微流体通道结构的分解图示意图。顶部元件是流动阵列的顶部,薄灰色元件是胶带,蓝色细元件是聚酯薄膜垫片,底部元件是矩形盖玻片。请点击此处查看此图的大图。
图 2:沿微流体培养通道的一致层生成区域的五个成像位置。 成像位置如下:入口侧,靠近第一个电极在完整流阵列上的位置;入口侧位置和通道中心之间的中间位置;通道中心;在中心和出口侧位置之间,以及出口侧之间,靠近最后一个电极在完整流阵列上的位置。 请点击此处查看此图的大图。
2. 八孔腔盖玻片中的细胞培养
图 3:用于固定孔培养、染色和成像实验的八孔腔盖玻片示意图,比较初始细胞接种密度和培养持续时间对细胞层形成的影响。 请点击此处查看此图的大图。
所提出的方法允许在微流体培养通道中培养的上皮细胞层的可视化,并使用传统固定孔细胞培养环境中的演示作为验证。采集的图像将存在于质量、信号强度和细胞靶标特异性的光谱上。成功的图像将表现出高对比度,允许对图像进行分析和量化数据以进行后续统计评估。不成功的图像将变得模糊、模糊,或者无法用于主观或定量评估。一些图像可能适用于主观层特征测定,但质量仍不足以进行?...
所提出的协议描述了NCI-H441人肺上皮细胞在单通道微流体流阵列的动态环境中以及在传统八孔腔盖玻片的静态环境中的培养,交联固定,染色,透化和共聚焦显微镜可视化。对于任何微流控细胞培养方案,细胞培养基的流动条件都至关重要,因为高速流动有可能冲走细胞或干扰细胞单层的正常组装。同时,由于微流体通道的不渗透性以及流动特性所施加的扩散限制,低速率流动有可能使细胞层"饥?...
作者声明不存在利益冲突。
作者感谢Alan Shepardson为微流体通道构建中使用的3M粘合剂和聚酯薄膜设计了切割模式,并测试了细胞培养基流速和注射泵编程。资金由NIH R01 HL0142702,NSF CPET 1706801和Newcomb-Dulane College Dean's Grant提供。
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A1R HD25 Confocal Microscope System | Nikon | A1R HD25 | https://www.microscope.healthcare.nikon. com/products/confocal-microscopes/a1hd25-a1rhd25/specifications |
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Adhesive Transfer Tape Double Linered | 3M | 468MP | https://gizmodorks.com/3m-468mp-adhesive-transfer-tape-sheet-5-pack/ |
Air-Tite HSW Soft-Ject Disposable Syringes | Air-Tite RL5 | 14-817-53 | https://www.fishersci.com/shop/products/air-tite-hsw-soft-ject-disposable-syringes-6/1481753#?keyword=syringe%20leur%20locking%205ml |
BAISDY 4 mil (0.1 mm) Thick Mylar Sheet | BAISDY | AS022 | https://www.amazon.ca/Stencil-Perfect-Silhouette-Machines-BAISDY/dp/B07RJJ9BNC |
Branson Ultrasonics M Series Ultrasonic Cleaning Bath | Branson Ultrasonics | 15-336-100 | https://www.fishersci.com/shop/products/m-series-ultrasonic-cleaning-bath/15336100 |
Corning Fibronectin, Human | Fisher Scientific | CB-40008 | https://www.fishersci.com/shop/products/corning-fibronectin-human-3/CB40008?keyword=true |
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ECIS Cultureware Disposable Electrode Arrays 8 x 10 ECIS Flow Array | Applied BioPhysics | 1F8x10E PC | https://www.biophysics.com/cultureware.php#1F8x10E |
Enterprise Technology Solutions UV Sterilizer Cabinet, White | Enterprise Technology Solutions | 50-211-1163 | https://www.fishersci.com/shop/products/uv-sterilizer-cabinet-white/502111163 |
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Fisherbrand 50mL Easy Reader Plastic Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 06-443-21 | https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-higher-speed-easy-reader-plastic-centrifuge-tubes-8/p-193269 |
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Gibco RPMI 1640 Medium | Gibco | 11875093 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/11875093 |
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Nunc Lab-Tek Chambered Coverglass | Thermo Scientific | 155411 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/155361 |
Parafilm M Wrapping Film | Fisher Scientific | S37441 | https://www.fishersci.com/shop/products/parafilm-m-wrapping-film-3/S37441 |
PendoTech 3-Way Stopcock, Polysulfone, Male/Female Luer Inlet x Female Luer Branch | PendoTech | ZY-19406-49 | https://www.masterflex.com/i/pendotech-3-way-stopcock-polysulfone-male-female-luer-inlet-x-female-luer-branch/1940649 |
Phosphate Buffered Solution (PBS), pH 7.4 | Gibco | 10010023 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023 |
Poly-D-Lysine | Gibco | A3890401 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/A3890401#/A3890401 |
Reynolds Aluminum Wrap Foil | Reynolds | 458742928317 | https://www.amazon.com/Reynolds-Wrap-Aluminum-Foil-Square/dp/B00UNT0Y2M |
Saponin | Millipore Sigma (Sigma Aldrich) | 47036 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/47036 |
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Tygon Transfer Tubing, BioPharm Platinum-Cured Silicone, 1/16" ID x 1/8" OD; 50 Ft | Cole-Parmer | EW-95702-01 | https://www.coleparmer.com/i/tygon-transfer-tubing-biopharm-platinum-cured-silicone-1-16-id-x-1-8-od-50-ft/9570201?searchterm=95702-01 |
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